新型GS固化土與水泥土的力學(xué)特性對比研究*

陳 鑫 俞 峰 洪哲明 潘黎芳 劉興旺 李 瑛

(①浙江理工大學(xué)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所，杭州 310018，中國)

(②浙江省裝配式混凝土工業(yè)化建筑工程技術(shù)研究中心，杭州 310018，中國)

(③浙江省建筑設(shè)計研究院，杭州 310006，中國)

0 引 言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，加固土成為地下工程中極為重要的部分，尤其在深大基坑和環(huán)境條件要求嚴(yán)格的基坑工程。以水泥為主固化劑的復(fù)合固化劑材料種類繁多，可以應(yīng)用于不同地區(qū)不同類型的土質(zhì)中，常見的外摻劑包括粉煤灰、環(huán)氧樹脂、膨潤土、氫氧化鈉等。水泥因取材方便、價格低廉被廣泛應(yīng)用于地基加固、公路基層中，但仍存在污染環(huán)境、強(qiáng)度低、抗?jié)B性能差等問題。外摻劑的使用可以有效解決常用膠結(jié)材料(如水泥、石灰等)帶來的問題：(1)減少水泥的使用量，節(jié)約資源并降低環(huán)境污染；(2)通過營造固化土的良好化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，提高固化土的長期強(qiáng)度；(3)改善固化土的微觀結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定均勻的致密膠結(jié)物，提高固化土的強(qiáng)度和抗?jié)B性能。同時常見的粉煤灰、礦渣等材料來源于工業(yè)廢渣，此類外摻劑的再利用可以有效降低環(huán)境污染并減少成本，并結(jié)合新工藝技術(shù)應(yīng)用實(shí)際工程。近年來新型固化劑因成本低、強(qiáng)度高、環(huán)保穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場工程中，國內(nèi)外學(xué)者針對加固土做了不少研究。

Jha et al.(2015)通過綜合比較固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、孔隙率、壓縮性等特征研究不同摻量和養(yǎng)護(hù)時間對石灰固化土性能的影響，通過掃描電鏡(SEM)等室內(nèi)試驗(yàn)揭示出影響其強(qiáng)度和體積變化行為的微觀機(jī)理。Rios et al.(2016)利用粉煤灰、氫氧化鈉和硅酸鈉制成堿性活化劑代替水泥固化粉砂，單軸壓縮實(shí)驗(yàn)表明該新型固化劑顯著提高了固化土的強(qiáng)度，并通過掃描電鏡觀察新型固化土和水泥土固化過程微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)堿活化試樣的強(qiáng)度增長更快更持久。Yilmaz et al.(2017)采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，研究不同水泥摻量和4種化學(xué)試劑對提高塑性黏土的穩(wěn)定作用，研究表明低濃度的化學(xué)劑因增加絮凝作用，混合物強(qiáng)度略有增加；高濃度的化學(xué)劑使得土壤混合物強(qiáng)度有所降低，且混合物強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而顯著降低。魏麗等(2018)研究SH固土劑對鹽漬土的固化作用，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂法抗拉實(shí)驗(yàn)、SEM掃描電子顯微鏡試驗(yàn)及X射線衍射試驗(yàn)等多種試驗(yàn)手段，證明SH固土劑提高了土體力學(xué)性能。劉松玉等(2018)通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、X射線衍射試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)等，研究活性MgO碳化固化粉質(zhì)黏土的力學(xué)性能影響，并對初始含水率和碳化時間進(jìn)行分析，結(jié)果表明MgO碳化程度越高、初始含水率越小，加固土強(qiáng)度越大，并提出以碳化時間為主因素的固化土碳化微觀模型。何俊等(2019)將堿渣、礦渣和水玻璃3種材料對高含水率疏浚淤泥進(jìn)行固化，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和Ⅹ衍射試驗(yàn)研究其強(qiáng)度性質(zhì)。徐日慶等(2019)將粉煤灰、石灰和TZ-01用于固化淤泥質(zhì)土，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探究含水量、摻量、齡期等因素對固化土特性的影響，并建立了強(qiáng)度預(yù)測模型。Yang et al.(2020)研究硅灰(SF)和添加劑對改善富鹽海相軟黏土工程性能的影響，通過正交試驗(yàn)設(shè)計篩選出使固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性能最優(yōu)的配合比，并通過SEM和XRD揭示其微觀機(jī)理。俞良辰等(2020)采用磷酸鎂水泥固化有機(jī)質(zhì)土，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)與普通硅酸鹽水泥固化有機(jī)質(zhì)土進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)磷酸鎂水泥固化有機(jī)質(zhì)土性能較普通硅酸鹽水泥固化有機(jī)質(zhì)土差。征西遙等(2020)通過在普通水泥中加入不同摻量的超細(xì)水泥組成復(fù)合固化劑，并采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀(UCS)、電鏡掃描儀(SEM)試驗(yàn)手段對其力學(xué)性能進(jìn)行分析，揭示其固化微觀機(jī)理，為相應(yīng)的工程實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

1 室內(nèi)試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

由于砂土和黏土顆粒級配、抗剪強(qiáng)度、滲透性差異明顯，分別適用于不同特性需求的工程，因此本試驗(yàn)選用可塑性強(qiáng)的黏土和透水性較強(qiáng)的砂土，均采自杭州市某基坑，其基本物理指標(biāo)如表1所示；試驗(yàn)采用GS土體硬化劑和普通硅酸鹽水泥P.O42.5兩種固化劑，GS土體硬化劑技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示；拌合水采用自來水。

表1 試驗(yàn)用土基本物理指標(biāo)Table 1 Physical properties of tested soil

表2 土體固化劑技術(shù)性能指標(biāo)Table 2 Technical indices of soil hardening agents

1.2 試驗(yàn)分組

本試驗(yàn)采用控制變量法分析土質(zhì)、摻量、齡期對GS固化土和水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，進(jìn)而探究GS固化土的力學(xué)特性。曹智國等(2015)認(rèn)為水泥土分為反應(yīng)區(qū)、非反應(yīng)區(qū)、惰性區(qū)，5%～20%是常用的水泥土摻量范圍，位于非反應(yīng)區(qū)-反應(yīng)區(qū)之間，因此設(shè)定水泥摻量為15%、20%，根據(jù)目前工程應(yīng)用測算，按照等投資原則設(shè)定GS摻量，設(shè)定GS摻量為10%、14%，養(yǎng)護(hù)齡期為10id、20id、28id、35id，試驗(yàn)分組如表3所示。

表3 試驗(yàn)分組Table 3 Test group

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)對比分析土質(zhì)、摻量、齡期對GS固化土與水泥土強(qiáng)度的影響，進(jìn)而探究GS固化土強(qiáng)度的力學(xué)特性。為避免試驗(yàn)偶然性，同一齡期每組試塊制作3個，并選取部分土樣進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如下：

(1)根據(jù)試驗(yàn)方案，稱取所需原狀取得的黏土和砂土的質(zhì)量，及相應(yīng)摻量所需的固化劑質(zhì)量和規(guī)定水膠比的水質(zhì)量，水膠比為1.2，固化劑摻量aw和水膠比W/B計算如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中：ms為固化劑質(zhì)量；mg為土樣質(zhì)量；mw為拌合水質(zhì)量。

(2)將稱取好的土樣、固化劑及拌合水倒入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌直至均勻，裝入150imm×150imm×150imm的立方體試模，經(jīng)振動臺振實(shí)成型，養(yǎng)護(hù)24ih后拆模，置于室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)。

(3)

qu=1.294·q

(4)

式中：q為試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；P為試件破壞的最大荷載(kN)；A為試件橫截面積(mm2)；qu為換算無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)。

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1為P1、P3、G1、G3試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變。由該圖可知：

(1)由P1、P3固化土試塊應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，水泥土試塊加載特性表現(xiàn)為應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加緩慢增長，依次經(jīng)歷初始加載階段、塑性上升階段、強(qiáng)度屈服階段、破壞階段及殘余應(yīng)力階段，表現(xiàn)為剪切破壞特征。初始加載階段應(yīng)變迅速增加、應(yīng)力緩慢增長，塑性上升階段應(yīng)力增長速率加快，強(qiáng)度屈服階段應(yīng)變持續(xù)增加但應(yīng)力變化較小，破壞階段應(yīng)變持續(xù)增加、應(yīng)力到達(dá)峰值，試塊未完全破壞。

(2)由G1、G3固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，GS固化土試塊加載過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值明顯，依次經(jīng)歷初始加載階段、塑性上升階段、強(qiáng)度屈服階段和破壞階段，具有較大抗壓強(qiáng)度和較小破壞應(yīng)變(約2%左右)，表現(xiàn)為劈裂破壞特征。初始加載階段應(yīng)力隨應(yīng)變緩慢增長，塑性上升階段和強(qiáng)度屈服階段后應(yīng)力增長直至峰值破壞點(diǎn)，試塊破壞后曲線進(jìn)入陡降階段。

(3)對比P1、P3、G1、G3試塊應(yīng)力-應(yīng)變曲線，GS固化土在強(qiáng)度、剛度方面性能優(yōu)于水泥土，且表現(xiàn)出更高的脆性，其微觀機(jī)理有待進(jìn)一步研究。其中：G1固化土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于P1固化土，不難看出，GS固化黏土的效果明顯優(yōu)于水泥固化黏土，但在砂土中，相比水泥土，提升效果不明顯。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同摻量、土質(zhì)、固化劑和齡期試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值如表4所示，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化如圖2所示，其中，T為齡期。

表4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(單位：MPa)Table 4 Unconfined compressive strength(unit：MPa)

2.2.1 土性對固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖2表明，兩種土固化后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而增大。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長值如表5所示。

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長Table 5 Growth of unconfined compressive strength

圖2、表5 表明：(1)當(dāng)齡期從10id增長至35id，P1固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長率為24.55%，而P3固化土強(qiáng)度增長率為35.10%?？梢缘贸?，同一摻量時，水泥固化砂土的強(qiáng)度增長率明顯高于水泥固化黏土。結(jié)合表4，發(fā)現(xiàn)水泥固化砂土強(qiáng)度是水泥固化黏土的1.5～1.7倍。當(dāng)齡期從10id增長至35id，G1固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長率為115.97%，G3固化土強(qiáng)度增長率為80.04%，G1固化土強(qiáng)度增長率大于G3，且G2固化土強(qiáng)度增長率仍大于G4?？梢缘贸?，同一摻量時，GS固化黏土的強(qiáng)度增長率明顯高于GS固化砂土。(2)結(jié)合表4可以得到，當(dāng)齡期35id時，G1固化土強(qiáng)度仍比同齡期P1固化土大37.13%，且G2固化土較同齡期P2固化土大11.24%。這一結(jié)果表明，齡期為35id時等預(yù)算下GS固化黏土的強(qiáng)度高于水泥固化黏土?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益，同等預(yù)算下GS固化黏土強(qiáng)度明顯高于水泥固化黏土。因此在固化黏土?xí)r，采用GS固化劑更為經(jīng)濟(jì)。

2.2.2 摻量對固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

固化劑摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示。由圖3發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：(1)隨著固化劑摻量的增加，兩種固化土的強(qiáng)度隨之增大。原因是：隨著固化劑摻量的增加，固化劑水化生成C-S-H凝膠和氫氧化鈣等增多，土顆粒間膠結(jié)作用增強(qiáng)，固化土體孔隙率減小，從而提高了固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。(2)考慮摻量和齡期對強(qiáng)度增長影響的耦合作用：T=10id時摻量對水泥土強(qiáng)度的影響依次小于T=20id、T=28id、T=35id時摻量對土體強(qiáng)度的影響，說明在固化土過程中，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，膠結(jié)物增加，孔隙率減小，土體強(qiáng)度隨之增大；而GS固化土的強(qiáng)度隨摻量及齡期變化較為均勻，造成這種差異的原因是GS在反應(yīng)過程中經(jīng)歷了一次水化后，生成的Ca(OH)2與礦渣中的C2S發(fā)生二次水化，脫硫石膏作為緩凝劑，保證反應(yīng)充分進(jìn)行，生成更多C-S-H凝膠。

2.2.3 齡期對固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖4為不同固化劑固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化?？梢钥闯觯琓=10id時，GS固化黏土強(qiáng)度低于水泥固化黏土強(qiáng)度；T=20id時，GS固化黏土強(qiáng)度高于水泥固化黏土的強(qiáng)度。G1固化土的強(qiáng)度增長率高于P1固化土的強(qiáng)度增長率，且G1固化土強(qiáng)度發(fā)展與P2較為接近。隨著齡期的增長，GS固化黏土強(qiáng)度持續(xù)增加，強(qiáng)度增長速率在10id內(nèi)最大且隨齡期增長而逐漸減緩。水泥固化黏土在10～20id時強(qiáng)度增長曲線最為陡峭，隨后摻量為15%的水泥固化黏土強(qiáng)度曲線趨于平緩，而摻量為20%的水泥固化黏土強(qiáng)度仍在上升。因此，固化土的強(qiáng)度增長與摻量、齡期密切相關(guān)。T=10id時，G3固化土強(qiáng)度低于P3固化土強(qiáng)度，T=20id時前者強(qiáng)度高于后者，齡期為35id時兩者強(qiáng)度相差不大；摻量為20%的水泥固化砂土強(qiáng)度在T=10d、20d、28d、35id時均高于摻量為14%的GS固化砂土，兩種固化劑固化砂土的性能有待進(jìn)一步研究。從經(jīng)濟(jì)效益來看，在軟土地區(qū)，GS硬化劑較水泥更具優(yōu)勢。

GS固化黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律如圖5所示，兩種固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨齡期增長而增大。Kitasume et al.(2003)研究了暴露于不同環(huán)境下水泥土的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的對數(shù)線性增加。朱劍鋒等(2019)對鎂質(zhì)水泥固化有機(jī)質(zhì)土進(jìn)行研究，提出了TZ18固化土的抗壓強(qiáng)度模型，發(fā)現(xiàn)TZ18固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期呈對數(shù)關(guān)系。從圖5中可以看出，GS固化黏土的抗壓強(qiáng)度隨齡期呈對數(shù)線性增長，可用關(guān)系式進(jìn)行擬合，式(5)、式(6)得到的關(guān)系式如下。

當(dāng)aw=10%時

qu=1.0445lnT-1.3314(R2=0.9862)

(5)

當(dāng)aw=14%時

qu=1.2395lnT-1.6339(R2=0.9991)

(6)

圖6為GS固化黏土不同齡期下應(yīng)力-應(yīng)變曲線。該圖表明：(1)T=10id時，GS固化黏土加載過程中，前期土體孔隙較多、應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而緩慢增長；后期孔隙壓縮完畢、試塊均勻受壓；故塑性上升階段應(yīng)力快速增加，強(qiáng)度屈服階段應(yīng)力緩慢增加直至峰值破壞點(diǎn)，破壞階段應(yīng)力衰減且試塊破壞。(2)隨著齡期增加，水化產(chǎn)物不斷填充孔隙，塑性上升階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率明顯增大、強(qiáng)度屈服階段應(yīng)變增長變小，且峰值破壞點(diǎn)上移。

2.3 變形模量

變形模量E50是材料抵抗彈塑性變形的重要參數(shù)，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)取得，采用無側(cè)限條件下一半破壞應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變的比值定義(裴振偉等，2018)，如式(7)所示。

(7)

式中：σ1/2為一半破壞應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力；εf為破壞應(yīng)變。

圖7為不同固化土T=35id時的變形模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。針對變形模量，眾多學(xué)者給出了不同的取值。蔡光華(2017)通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究不同因素對活性MgO碳化固化土力學(xué)強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明MgO碳化固化土的變形模量約20～250qu，與水泥等固化土變形模量大致相當(dāng)。Wang et al.(2018)研究了在水浸和凍融條件下水泥、石灰和粉煤灰固化沉積土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)變形模量E50是抗壓強(qiáng)度的47.7～282.6倍。圖7為固化土變形模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，兩種不同固化劑固化土的數(shù)據(jù)點(diǎn)大體分布在三角區(qū)內(nèi)，分別如式(8)、式(9)所示：

水泥土E50=(23.24～71.62)qu

(8)

GS固化土E50=(31.11～77.24)qu

(9)

2.4 微觀分析

電鏡掃描(Scanning electron microscope，SEM)技術(shù)是一種用于分析微觀結(jié)構(gòu)的影像化手段。SEM技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大程度上推動了巖土微觀分析的發(fā)展，目前已有不少學(xué)者作了此類研究。Estabrag et al.(2016)研究水泥固化污染黏土的特性，通過電鏡掃描觀察到，水泥固化土顆粒通過膠結(jié)產(chǎn)物連接，且存在孔隙。Zhang et al.(2018)通過電鏡掃描研究木質(zhì)素穩(wěn)定土的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素加入土壤后產(chǎn)生的沉淀膠結(jié)物覆蓋在土顆粒上，形成致密的結(jié)構(gòu)。本文在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取部分土樣進(jìn)行掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)，觀察不同固化土的微觀結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)果如圖8?？梢钥闯觯?1)在放大3000倍數(shù)下，水泥固化黏土試樣(圖8a)雖呈現(xiàn)出絮狀產(chǎn)物，但表面稀疏，土顆粒排列無序，土顆粒間膠結(jié)作用不明顯，存在較多孔隙；而GS固化黏土試樣(圖8c)，可以觀察到大部分塊狀晶體，土顆粒被大量凝膠包裹，土體間孔隙少，整體性較高。膠結(jié)作用致使結(jié)構(gòu)連接更為緊密，抗壓強(qiáng)度相應(yīng)更高，微觀結(jié)構(gòu)特征與宏觀力學(xué)特性得到一致規(guī)律，同時也印證了王東星等(2019)的研究。(2)由圖8b觀察得出，水泥固化砂土中簇形纖維狀水化物和片狀水化物填充在孔隙之中，但仍存在較大孔隙，土體結(jié)構(gòu)整體性不高；GS固化砂土(圖8d)排列緊密，無明顯孔隙，土體表面仍可觀察到絮狀水化物。結(jié)合齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，GS強(qiáng)度隨齡期持續(xù)增長，在T=35id時表現(xiàn)出較高的增長速率，而水泥在此時增長趨于平緩。因此GS在改善微觀結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)均勻分散、優(yōu)化強(qiáng)度增長規(guī)律等方面優(yōu)于水泥。(3)由土樣微觀結(jié)構(gòu)可以看出，GS固化土中土顆粒黏結(jié)緊密，而水泥土中呈現(xiàn)出碎散狀態(tài)，推測GS固化土抗?jié)B性優(yōu)于水泥土。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

為更好揭示GS硬化劑在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，于杭州市大江東某試驗(yàn)場進(jìn)行了MJS(Metro Jet System，全方位高壓噴射工法)工法試樁現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)場地土層分布如表6所示。本試驗(yàn)基于室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對比分析采用水泥和GS硬化劑固化MJS工法樁后的成樁完整性和樁身抗壓強(qiáng)度，進(jìn)一步研究GS固化土的力學(xué)特性及工程適用性。試驗(yàn)采用MJS工法，MJS工法是在傳統(tǒng)高壓噴射工藝的基礎(chǔ)上，通過加入多孔管和前端切削攪拌裝置，實(shí)現(xiàn)噴漿、地內(nèi)壓力和排泥集中管理，既保證了加固效果又減少了對周邊環(huán)境的影響(張帆，2010)。該工法目前已廣泛應(yīng)用于基坑工程當(dāng)中。

表6 土層分布表Table 6 Distribution table of soil layer

表7 MJS工法樁樁芯完整性對比Table 7 Comparison of the integrity of cores from the MJS piles

qu=β×q

(10)

式中：β為高徑比修正系數(shù)。

由于室內(nèi)試驗(yàn)制作試塊無法反映固化土成樁的完整性，在現(xiàn)場分別對GS固化土樁和水泥土樁進(jìn)行取芯，芯樣情況如圖9所示。該圖表明，MJS工法施工下水泥土樁樁芯呈柱狀為主，局部為塊狀，塊徑2～5icm，芯長10～20icm，最長達(dá)40icm，芯樣質(zhì)量指標(biāo)RQD=50%～60%左右，而GS樁樁芯最長達(dá)70icm，芯樣質(zhì)量指標(biāo)RQD=70%～80%左右，且水泥土樁樁芯破碎率較高，GS固化土樁樁芯相對完整，與微觀結(jié)構(gòu)特征規(guī)律一致，GS固化土成樁完整性優(yōu)于水泥土樁，適用于MJS工法。

圖10為齡期對樁身強(qiáng)度的影響，表明GS固化土樁的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長而增大，水泥土樁后期強(qiáng)度基本保持不變。隨著齡期的增長，GS固化土樁抗壓強(qiáng)度增長率減小，但變化不大，仍呈現(xiàn)增長趨勢。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)中GS固化土和水泥土的早期強(qiáng)度，GS固化土在35id后強(qiáng)度隨著齡期持續(xù)增長，而水泥土樁后期強(qiáng)度隨齡期增長變化不大。由此可見，T=83id時GS固化土的強(qiáng)度仍在繼續(xù)增長，而T=44id后水泥土強(qiáng)度隨齡期變化不大。

圖11為樁身強(qiáng)度隨深度的變化，表明GS固化土樁抗壓強(qiáng)度隨著土層變化而變化。深度為2～8im時，T=44id時的水泥土樁抗壓強(qiáng)度高于T=41id時的GS固化土樁抗壓強(qiáng)度，深度為10～14im時則反之，其余齡期同理。T=83id時GS固化土樁10im深度處抗壓強(qiáng)度高于T=86id時水泥土樁同深度處的抗壓強(qiáng)度，其他深度處由于數(shù)據(jù)不全無法給出明確規(guī)律。樁身強(qiáng)度隨深度變化推測原因如下：(1)成樁噴射不均勻；(2)GS土體硬化劑和水泥適用于不同土質(zhì)。結(jié)合表6發(fā)現(xiàn)，2～8im處土層主要為砂質(zhì)粉土層和粉砂層，10～14im處為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，2～8im處水泥土樁強(qiáng)度高于GS固化土樁，10～14im處則反之。結(jié)果顯示GS固化黏土效果優(yōu)于水泥固化黏土，與室內(nèi)試驗(yàn)規(guī)律一致。

現(xiàn)場試驗(yàn)表明，GS固化土強(qiáng)度伴隨齡期增長持續(xù)變大，齡期達(dá)到83id時強(qiáng)度仍存在增強(qiáng)趨勢，且由數(shù)據(jù)顯示GS固化黏土效果優(yōu)于水泥固化黏土，這與室內(nèi)試驗(yàn)的所得結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了GS固化土的工程適用性。基于早期強(qiáng)度快，后期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，其可應(yīng)用于路基工程。另外從經(jīng)濟(jì)效益方面來看，GS固化土亦滿足工程實(shí)踐需求。

4 結(jié) 論

本文通過兩種固化劑固化土的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，對比分析了GS土體硬化劑和水泥的力學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

(1)GS固化土受壓破壞時，經(jīng)歷了初始加載階段、塑性上升階段、強(qiáng)度屈服階段和破壞階段，具有抗壓強(qiáng)度大，破壞應(yīng)變小的特點(diǎn)；而水泥固化土破壞應(yīng)變大，抗壓強(qiáng)度小。GS固化土相較水泥土表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高剛度、高脆性。

(2)隨著摻量的增加，兩種固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增長；隨著齡期的增長，GS固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的對數(shù)呈線性增長，但水泥固化土的強(qiáng)度增長率明顯下降，趨于平緩。

(3)通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到不同固化土變形模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系為：當(dāng)固化劑為GS時，變形模量是抗壓強(qiáng)度的31.11～77.24倍；當(dāng)固化劑為水泥時，變形模量是抗壓強(qiáng)度的23.24～71.62倍。

(4)微觀機(jī)理研究表明，GS固化土顆粒排列緊密，微觀結(jié)構(gòu)特征和宏觀力學(xué)特征表現(xiàn)出一致規(guī)律，GS在提高土體抗?jié)B性、改善微觀結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)均勻分散、優(yōu)化強(qiáng)度增長規(guī)律等方面優(yōu)于水泥。

(5)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，GS固化土樁成樁完整性優(yōu)于水泥土樁。GS固化土樁抗壓強(qiáng)度隨著土層性質(zhì)而變化，且隨著成樁時間推移增強(qiáng)；基于早期強(qiáng)度快，后期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，其可應(yīng)用于路基工程，亦滿足經(jīng)濟(jì)效益需求。